全威，李松林

上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海 200240

1 序言

激光具有高亮度、高方向性、高單色性以及高相干性等特性，基于這些優(yōu)良特性，激光已經(jīng)成為一種極具吸引力的工具和研究對象，因此自激光技術(shù)問世以來就受到諸多領(lǐng)域的關(guān)注。而在表面改性領(lǐng)域，傳統(tǒng)的技術(shù)有火焰淬火、電鍍、堆焊以及熱噴涂等，但隨著技術(shù)進步與市場需求的增加，企業(yè)的發(fā)展趨勢將向著高質(zhì)量、低成本、交貨周期短、制造流程柔性大、環(huán)境友好等方向前進[1-3]。

激光加工由于具備易保證產(chǎn)品高質(zhì)量、高生產(chǎn)效率、加工余量少（如果需要）、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、材料適用范圍廣、材料利用率高、環(huán)境影響小、與工件無直接接觸以及更小的熱效應(yīng)影響等獨特的優(yōu)勢，被作為替代上述若干傳統(tǒng)技術(shù)的新的理想工藝[4]。激光技術(shù)的飛速進步也帶動了激光應(yīng)用的迅猛發(fā)展，其中基于激光加工技術(shù)的產(chǎn)品再制造與表面改性已經(jīng)有著較為成熟的應(yīng)用。本文將在論述激光加工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，主要介紹激光表面改性以及3D打印在汽輪機葉片中的應(yīng)用情況。

2 激光加工技術(shù)

2.1 激光器的發(fā)展

激光作為由人類所創(chuàng)造的光源，無疑是20世紀最偉大的發(fā)明之一。

受激輻射的理論最初由愛因斯坦在1917年提出，而后在1960年，Maiman T H首次研制出紅寶石激光器，并成功制造出波長為694.3nm的脈沖激光，此后激光開始在科研領(lǐng)域受到高度重視。隨后，激光器經(jīng)歷了從1962年到1968年的快速發(fā)展，幾乎所有重要的激光器類型，包括半導(dǎo)體激光器、Nd :YAG激光器、CO2激光器、染料激光器和其他氣體激光器等，都是在這個時期發(fā)明的。表1列舉了主要激光器類型的發(fā)明及實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的時間。自1968年后，激光器的設(shè)計和制造具有了更好的可靠性和耐用性。到20世紀70年代中期，更可靠的激光器使得激光可用于切割、焊接、鉆孔和打標等工業(yè)應(yīng)用。在20世紀80年代和90年代初，開展了激光器在熱處理、熔覆、合金化和薄膜沉積等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的探索，并逐漸走向成熟。進入21世紀，由于光學(xué)技術(shù)的進步，激光器向著更加小型化、更高光學(xué)質(zhì)量、更長使用壽命、更大能量密度以及更低全生命周期使用成本的方向發(fā)展，對激光及其應(yīng)用的研究也向縱深方向推進，光學(xué)技術(shù)在未來將發(fā)揮更大的作用。

表1 主要激光器的發(fā)明及應(yīng)用時間

2.2 激光加工簡介

激光加工是指使用激光照射作為能量輸入，通過照射產(chǎn)生的熱效應(yīng)來實現(xiàn)諸如切割、焊接等工作的一種加工方法。為便于分類，可根據(jù)被加工零件狀態(tài)變化將激光加工工藝分為3個主要類別，即僅被加熱（無熔化及汽化）、被加熱熔化（無汽化）以及被加熱汽化。不同激光加工工藝分類如圖1所示。

圖1 激光加工工藝分類

一方面，諸如激光彎形、激光淬硬等工藝僅需將表面加熱，因此只需較小的功率密度即可實現(xiàn)；另一方面，激光合金化、激光焊接、激光熔覆等工藝需要將被加工零件表面熔化而需要更高的功率密度來實現(xiàn)；同樣地，激光沖擊強化、激光切割等加工工藝需要汽化并去除被加工零件的一部分，因而需要在短時間內(nèi)提供更高的功率密度。

3 激光淬硬技術(shù)在汽輪機葉片中的應(yīng)用

3.1 激光淬硬技術(shù)

由于激光加熱區(qū)域尺寸相對于整個零件小得多，因此當激光光斑繼續(xù)向前掃描時，加熱區(qū)域中的熱量迅速向較低的區(qū)域工件整體擴散（自淬火）。根據(jù)激光加工工藝、基體材料幾何/物理特性的不同，冷卻速度可達102~106K/s。

基于激光加工的這一特性，激光可作為替代熱源完成可淬硬材料的淬火，且激光淬火具有以下優(yōu)點：①淬火零件不變形，激光淬火的熱循環(huán)過程快，對零件尺寸不敏感。②幾乎不破壞表面粗糙度。③激光淬火不易開裂，不改變工件整體應(yīng)力狀態(tài)。④可對局部、溝、槽進行精確定位的選區(qū)淬火。⑤淬火層組織致密、強韌性好[5]。

3.2 激光淬硬技術(shù)在葉片中的應(yīng)用

由于末級長葉片長期工作在濕蒸汽區(qū)，排汽濕度甚至可達12%~14%。當蒸汽在葉柵中達到飽和時，便開始形成微小水滴。水滴在靜葉表面形成水膜并隨著時間延長不斷聚集、長大。最后從靜葉脫落，以水滴的形式并以一定的角度和很快的速度撞擊到動葉上，在動葉的進汽側(cè)形成如圖2所示的損傷，這種損傷就是水蝕。水蝕損傷的存在會影響機組的運行效率，甚至可能誘發(fā)葉片斷裂，造成嚴重損失。而通過表面強化將顯著提升葉片的使用壽命。

圖2 汽輪機葉片水蝕

傳統(tǒng)的強化方法是在進汽側(cè)釬焊司太立合金片以及感應(yīng)淬火。前者是葉片防水蝕應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，在上海汽輪機廠、原美國西屋、三菱、阿爾斯通等汽輪機生產(chǎn)企業(yè)均有批量應(yīng)用，工藝相對成熟。但在進行更長葉片，尤其是核電機組的末級葉片強化時，大面積高溫釬焊會造成焊接變形量大、葉片基體材料疲勞強度下降的問題；而后者是通過磁場感應(yīng)出的感應(yīng)電流加熱完成的淬火處理，淬火不僅在表面進行，也在整個葉片基體上進行，除會產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力外，還對葉片材料的性能造成了一定的影響。

而激光淬硬技術(shù)誕生已經(jīng)超過40余年，從1991年開始，汽輪機葉片的激光淬硬就被科研機構(gòu)關(guān)注，使用CO2激光器進行了材料為410類馬氏體不銹鋼的葉片進汽側(cè)淬硬，成功地將葉片表面硬度提高1倍以上[6]，并在后續(xù)幾年發(fā)展中逐漸實用化、經(jīng)濟化，最終實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。典型410類馬氏體不銹鋼葉片的激光淬硬橫截面及淬硬硬度如圖3、圖4所示。

圖3 典型汽輪機葉片激光淬硬

圖4 典型汽輪機葉片激光淬硬硬化層[5]

激光淬硬的工藝參數(shù)選擇主要取決于兩個因素：一是所需淬硬的深度，針對特定葉片，激光淬硬過程中某一點的溫度由激光掃描該點后的持續(xù)經(jīng)歷的時間與該點的深度相關(guān)，為達到產(chǎn)品所需的淬硬深度，則需準確匹配激光功率與掃描速度；二是所要淬硬區(qū)域大小，這影響到光斑的形狀與尺寸。因為當采取多道掃描完成淬硬時，后續(xù)激光掃描將對前序淬硬區(qū)的局部產(chǎn)生回火效應(yīng)，所以會影響淬硬區(qū)性能的一致性。事實上，激光淬硬的最佳光源為平頂（非高斯）的矩形光斑，光斑寬度與待淬硬區(qū)域?qū)挾认嘁恢?，以便通過單道掃描即完成淬硬加工。

而對于一些特定的葉片，進汽側(cè)的背弧處也會發(fā)生水蝕，此時則需對葉片進汽側(cè)兩端同時淬硬。為了解決這一問題，可選擇使用兩束激光光束同時進行淬硬，但更為常用的做法是選擇如圖5所示的光學(xué)手段。使用反光鏡能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高激光加工的可靠性和效率。

圖5 背弧側(cè)激光淬硬示意

而對于另一類汽輪機末級葉片材料——沉淀硬化型不銹鋼（17-4PH等），特別提出了激光固溶強化技術(shù)，是指在同一個激光加工過程中，利用溫度在不同區(qū)域的差異，通過元素固溶擴散和析出實現(xiàn)固溶強化，達到整體復(fù)合強化的效果[7]。經(jīng)過激光固溶強化，材料表面耐汽蝕性能較之葉片的基體提升1倍或更多。薛承感等[8]采用激光固溶加時效的表面強化工藝對17-4PH沉淀硬化不銹鋼進行表面處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面硬度明顯提高，表面具有比基體更加優(yōu)異的抗汽蝕性能。

雖然激光淬硬技術(shù)成熟，在國內(nèi)已應(yīng)用多年，但激光淬硬技術(shù)受到兩個因素的制約：一是強化效果受到基體材料自身強化潛力的限制；二是為保證強化過程中不出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，在能夠保證淬硬效果的溫度梯度下，硬化層深度存在一定的上限。

激光熔覆技術(shù)則完全擺脫了上述限制。

4 激光熔覆技術(shù)在汽輪機葉片中的應(yīng)用

4.1 激光熔覆技術(shù)

20世紀80年代以來，隨著激光器光源質(zhì)量的提升、激光效能的增加，激光熔覆作為一項重要的表面處理技術(shù)在耐磨與耐蝕等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用逐漸成熟。在激光熔覆過程中，通過高能量密度（一般在102~104W/mm2）的激光束照射熔化較薄的一層基體材料，與同樣被熔化的填充材料混合，并產(chǎn)生一定厚度的熱影響區(qū)，在基體表面形成與之呈冶金結(jié)合的熔覆層，改善了抗氧化性、耐磨損以及耐腐蝕等性能。圖6所示為激光熔覆原理及應(yīng)用。

圖6 激光熔覆原理及應(yīng)用

填充材料添加方式有預(yù)置與實時添加兩種，其中預(yù)置熔覆材料的方式由于工藝道序多、成本相對較高，故已較少在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

熔覆材料的形式通常為絲或粉，通過旁路或同軸送入熔池。三種填絲/送粉的方式如圖7所示。其中旁路送粉/填絲無法實現(xiàn)復(fù)雜路徑的熔覆；環(huán)形同軸送粉由于重力對粉末流的作用無法傾斜20°以上；為實現(xiàn)全位置的激光熔覆則需選擇多路式同軸送粉方式。

圖7 激光熔覆填絲/送粉示意

綜上所述，激光熔覆可以通過使用不同熔覆材料來獲得不同性能的熔覆層，并且可以獲得厚度范圍更大的改性層，考慮到激光加工相對傳統(tǒng)改性技術(shù)本就有著諸多優(yōu)勢，因此激光熔覆技術(shù)在汽輪機中的應(yīng)用潛力十分巨大。

4.2 激光熔覆在葉片中的應(yīng)用

透平葉片上的激光熔覆按應(yīng)用場景主要分為兩個類別：一是為了應(yīng)對燃氣輪機葉冠的高溫摩擦，通常在鎳基合金葉片上進行鎳基合金/鈷基合金的堆焊；二是為了應(yīng)對汽輪機末級葉片的水蝕，通常在馬氏體鋼葉片基體上進行鈷基合金的堆焊。

透平葉片的激光熔覆研究開始較早。早在1980年，英國羅-羅公司就完成了第一項在燃氣輪機葉片葉冠部位熔覆鈷基合金的專利[9]。截至2000年，阿爾斯通、原美國西屋公司等汽輪機制造企業(yè)均已實現(xiàn)了汽輪機葉片激光熔覆司太立合金的商業(yè)應(yīng)用（見表2）。

表2 汽輪機葉片激光熔覆的商業(yè)應(yīng)用

我國也于20世紀90年代初期開始了汽輪機葉片激光熔覆防水蝕的工藝性研究[10]，驗證了激光熔覆在葉片防水蝕領(lǐng)域的可行性。但受限于產(chǎn)品對激光熔覆技術(shù)的需求不足以及激光加工成本較高，汽輪機葉片激光熔覆強化的研究主要集中在研究院所與高校，期間對于主要的末級葉片材料的激光熔覆技術(shù)、熔覆層組織性能、激光熔覆中的光學(xué)、傳熱等基礎(chǔ)理論進行了進一步的研究[11-14]。

隨著電站機組技術(shù)的發(fā)展，全球各大汽輪機制造企業(yè)都在開發(fā)更大排汽面積的長葉片。上海汽輪機廠已成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列長葉片，長度達到1905mm，正在開發(fā)的長葉片達到2050mm。當葉片加長后，水蝕現(xiàn)象變得更加嚴重，而且核電機組的運行狀況進一步加劇了水蝕的傷害，必須采取諸如激光熔覆的強化效果更加明顯、更適宜大范圍強化的方法進行防水蝕處理，而激光熔覆的抗水蝕效果優(yōu)于激光淬硬與釬焊司太立合金片。

圖8為上海汽輪機廠進行的長葉片激光熔覆防水蝕應(yīng)用，圖9為典型的熔覆層與基體之間的熔合界面。通過對接頭進行各項測試顯示，大面積激光熔覆Stellite 6合金涂層的硬度均勻性好，司太立熔覆層與葉片基體為冶金結(jié)合，熔覆層內(nèi)無裂紋、氣孔等缺陷，接頭疲勞性能滿足要求。熔覆層硬度約500HV，且在熔覆層厚度方向上以及垂直于熔覆層生長方向上都均勻分布。激光熔覆進行葉片抗水蝕的表面改性技術(shù)成熟可靠，已獲得廣泛應(yīng)用。

圖8 長葉片激光熔覆

圖9 熔覆層與基體間的熔合界面

5 激光3D打印在汽輪機葉片中的應(yīng)用

5.1 激光3D打印技術(shù)

激光在材料加工中的最新應(yīng)用之一是3D打印技術(shù)，利用計算機完成零件的切片后，使用激光作為熱源逐點熔結(jié)金屬，完成零件的制造。3D打印技術(shù)的發(fā)展與完善，意味著在零件制造過程中擺脫了由坯料進行加工去除多余部分獲得零件的限制，實現(xiàn)了按需逐點、逐層增加材料構(gòu)成零件，實現(xiàn)增材制造。

3D打印由于其增材制造的特性而擁有以下優(yōu)勢：

1）節(jié)省材料，通過制造接近精加工形狀的零件，可以降低原材料的消耗。

2）提高零件的復(fù)雜度，尤其是針對傳統(tǒng)意義上無法通過加工實現(xiàn)的內(nèi)部構(gòu)造。

3）小批量零件可快速制造，減少由設(shè)計到成品的制造周期。

4）對于傳統(tǒng)制造方法需進行裝配的結(jié)構(gòu)，可通過合理的設(shè)計直接通過零件的方式打印完成，優(yōu)化了產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。

基于這些優(yōu)點，汽輪機制造廠也對激光增材制造技術(shù)在渦輪葉片中的應(yīng)用進行了探索。

5.2 激光3D打印在葉片中的應(yīng)用

先進的燃氣透平在高于1000℃的極端高溫下運行，許多情況下需要渦輪葉片具備復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)冷卻功能，因此對加工的要求非常高，3D打印技術(shù)則完美契合了燃氣透平渦輪葉片的結(jié)構(gòu)需求。西門子公司已經(jīng)完成了激光3D打印葉片的設(shè)計優(yōu)化與產(chǎn)品制造[15]，如圖10所示的葉片已經(jīng)成功安裝在其SGT-400工業(yè)燃氣輪機上，并已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)運行。新型葉片的應(yīng)用成功地改進了葉片的冷卻性能，提高了燃氣輪機的總體效率。

圖10 3D打印燃機葉片

上海汽輪機廠針對激光3D打印也進行了創(chuàng)新應(yīng)用的嘗試。使用增材制造的方式可以比較方便地獲得末級隔板中的靜葉片的空心結(jié)構(gòu)，上海汽輪機廠在某垃圾焚燒發(fā)電項目的末級隔板上首次應(yīng)用3D打印技術(shù)進行了葉片的制造。圖11展示了使用選區(qū)激光熔化（SLM）的方式成功制造的靜葉坯料。由于3D打印的高精度，在后續(xù)的精加工道序中僅需很少的加工量即可獲得最終的精加工表面，提高了加工設(shè)備的效率。

圖11 3D打印汽輪機葉片

但激光3D打印在進行大批量的零件制造時顯現(xiàn)出其加工效率低、制造成本高的劣勢。如果沒有利用3D打印的優(yōu)勢，在零件設(shè)計階段優(yōu)化設(shè)計以獲得更佳的使用效果，單純使用3D打印的手段替代傳統(tǒng)的加工方法將產(chǎn)生更高的成本與更長的制造周期。因此，如何結(jié)合制造工藝與產(chǎn)品設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計階段充分發(fā)掘3D打印的潛力也是未來激光3D打印技術(shù)研究的重點之一。

6 激光加工在汽輪機葉片再制造中的應(yīng)用

近年來，隨著對碳排放要求的升級、對環(huán)境問題的重視，在產(chǎn)品的設(shè)計與制造中越來越強調(diào)對環(huán)境的友好性，再制造這一能夠通過技術(shù)手段延長產(chǎn)品壽命，以有效地降低能源消耗與成本支出的技術(shù)就變得越發(fā)重要。傳統(tǒng)上通常使用焊接的方法完成零部件的再制造，但對于汽輪機中的許多零部件材料來說，焊接不但可能會對零件材料本身造成損傷，而且焊接效果更多取決于操作者的技能水平，因此對于高附加值、難修復(fù)的零部件，激光熔覆是一種理想的再制造方法。

激光熔覆再制造的一個重要應(yīng)用是葉片的激光熔覆修復(fù)。汽輪機葉片的現(xiàn)場修復(fù)需面臨以下挑戰(zhàn)：①熔覆設(shè)備在狹小空間完成修復(fù)的可達性。②修復(fù)后葉片的變形情況。③熔覆層的性能。

最早的汽輪機葉片現(xiàn)場修復(fù)記錄發(fā)生于2004年的澳大利亞[16]，該項目完成了一臺200MW機組低壓轉(zhuǎn)子中6片葉片的現(xiàn)場修復(fù)，如圖12所示，并在2005年的停機檢修時對所修復(fù)葉片進行了檢測，各葉片工作狀態(tài)良好。項目驗證了汽輪機葉片現(xiàn)場修復(fù)的可行性，修復(fù)層性能符合工作需求。通過項目的執(zhí)行情況可知，合理的熔覆參數(shù)以及熔覆路徑能夠獲得性能良好的熔覆層，并有望將葉片的變形控制在0.3mm以內(nèi)。

圖12 汽輪機葉片再制造

圖13是激光熔覆在葉片再制造中的另一類應(yīng)用。透平葉片尤其是燃氣輪機葉片工作在高壓、高溫、高負載的極端環(huán)境下，對葉片的變形、燒蝕、裂紋以及磨損等缺陷的修復(fù)是延長葉片使用壽命的關(guān)鍵。完全清除損傷部位后，在計算機輔助建模并規(guī)劃熔覆路徑后，可通過激光熔覆的方法，3D打印完成葉片的再制造。

由于激光熔覆再制造對于傳統(tǒng)意義上“不可修”零件修復(fù)的適用性以及更加便于實現(xiàn)柔性制造的特性，因此在對資源消耗趨緊的未來將迎來更廣闊的應(yīng)用。

圖13 激光熔覆葉片修復(fù)

7 結(jié)束語

激光加工技術(shù)在汽輪機制造領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其中激光淬硬已作為一種傳統(tǒng)技術(shù)在葉片耐水蝕強化領(lǐng)域應(yīng)用多年；激光熔覆由于其熔覆層性能可控、熔覆過程可將稀釋率控制在較低水平，以及熔覆過程易實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢而獲得了較多的關(guān)注；激光3D打印已經(jīng)顯示出其特有的應(yīng)用價值。截至目前，激光加工在汽輪機行業(yè)中積累了一定的應(yīng)用案例，主要應(yīng)用是針對高附加值零部件的制造與再制造。

其他激光加工方法諸如激光沖擊強化、激光打孔、激光合金化以及激光焊接加工工藝有望實現(xiàn)在汽輪機領(lǐng)域的應(yīng)用，但激光加工相對于傳統(tǒng)工藝仍有加工效率低（如激光打孔、激光合金化）、成本高（如3D打?。┑攘觿?，簡單使用激光加工工藝替代傳統(tǒng)工藝方法并不能完全發(fā)揮激光加工的優(yōu)勢，而如何從設(shè)計源頭發(fā)掘激光加工的優(yōu)勢也應(yīng)受到相應(yīng)的關(guān)注。

隨著社會的發(fā)展，激光加工作為一種安全可靠、性能穩(wěn)定且適應(yīng)性更廣的加工方法將進一步展現(xiàn)其良好的應(yīng)用前景。